Олексій Ангурець, голова ГО “Зелений світ – Друзі Землі”:

“Зелений світ – Друзі Землі” є одним із учасників проекту створення системи екологічного онлайн моніторингу в Дніпропетровській області. Інформацію про перший етап цього сучасного проекту можна знайти на нашому сайті та на моїй сторінці в Фейсбуці. Перший етап пов’язаний з моніторингом атмосферного повітря. Ми розпочинаємо публікувати серію статей нашого молодого автора Максима Куща, присвячених темі моніторингу довкілля, найбільш небезпечних забруднень та сучасних технологій слідкування за параметрами навколишнього середовища. Почнемо з теми про атмосферу: чому вона має зараз саме такий склад, як він утворився і як змінюється під впливом людини.

Атмосфера Землі – суміш газів, що рівномірно огортає нашу планету та створює на ній особливі умови для існування життя. Насамперед, ці умови визначаються основними фізичними властивостями атмосфери: здатністю до часткового поглинання та часткового розсіювання сонячної радіації, тепло- та вологообміну із земною поверхнею та, власне, циркуляції атмосферних мас. Що не менш важливо, хімічний склад атмосфери у її приземних шарах є визначальним для забезпечення процесів енергетичного обміну в живих організмах.

Атмосфера не завжди була такою, якою ми знаємо її сьогодні. Первинна атмосфера Землі формувалася з газів та емульсій, що утворювалися в результаті активної вулканічної діяльності на поверхні планети. Масові викиди вуглекислого газу (CO₂), метану (CH₄), аміаку (NH₃), водяного пару (H₂O) та безлічі інших летких супутніх вулканічним процесам речовин все більшим прошарком накопичувалися навколо нашої планети, а сила земного тяжіння не давала їм вивільнятися у міжпланетний космічний простір. Звичайно, первинна газова оболонка Землі зазнавала постійних змін під дією сонячної радіації та іонізуючих сил електричних розрядів (блискавок). Але початок глобальних змін хімічного складу атмосфери до звичного нам сьогодні був покладений з появою перших здатних до кисневого фотосинтезу організмів – ціанобактерій та синьо-зелених водоростей. Ці організми асимілювали вуглекислий газ та воду, перетворюючи їх під дією сонячної радіації у запасні поживні речовини, та виділяли кисень, як побічний продукт таких перетворень. Саме кисень і відіграв ключову роль у зміні газового складу первинної атмосфери. Через складні ланцюжки хімічних реакцій за наявності кисню метан атмосфери окиснився до вуглекислого газу та водяної пари, а аміак – до азоту та водяної пари. Додаємо до отриманої газової суміші інертний газ аргон, який утворився в надрах Землі внаслідок радіоактивного розпаду калію, та фактично отримуємо якісний склад атмосфери, що відповідає сучасному: азот (N₂), кисень (O₂), аргон (Ag), вуглекислий газ (CO₂) і незначні домішки інших газів.

Залишається питання про кількісний склад газової суміші сучасної атмосфери. Чому саме 78% (за об’ємом) азоту,  21% кисню, 0,93% аргону та 0,03% вуглекислого газу? Адже за припущеннями вчених первинна атмосфера Землі містила до 98% вуглекислого газу, а, наприклад, весь вільний кисень вступав у реакції окиснення з іншими речовинами.

Як вже згадувалося, первинна газова оболонка Землі утворилася в результаті активної вулканічної діяльності. Після врівноваження внутрішніх енергетичних процесів Землі значно зменшилася і вулканічна активність на земній поверхні. Надходження газів у атмосферу звелося до мінімуму, а її кількісний газовий склад певною мірою стабілізувався. Далі за справу взялися живі організми. Так, кисень, який виділяли фотосинтезуючі організми, витрачався на окиснення метану, аміаку та інших складових речовин первинної атмосфери та Земної поверхні. З часом встановилася хімічна рівновага, окисні реакції за участі O₂ звелись до мінімуму. Кисень почав накопичуватися як ще одна складова частина атмосфери Землі. У зв’язку з цим почалися глобальні зміни як для живих організмів, так і для нашої планети в цілому.

У верхніх шарах атмосфери під дією сонячної радіації почалися фотохімічні реакції, в результаті яких, поглинаючи ультрафіолетове випромінювання, кисень (O₂) почав утворювати озон (O₃). Виявилося, що і озон має здатність до поглинання ультрафіолетового випромінювання, вступаючи у зворотню реакцію розпаду до двохатомної молекули кисню. Таким чином, у верхніх шарах атмосфери навколо Землі сформувався захисний бар’єр, який завдяки ланцюжку перетворень O₂ – O₃ – O₂ поглинає значну долю сонячного високоактивного випромінювання в ультрафіолетовій частині спектру. Захисним такий бар’єр став, насамперед, для живих організмів, для яких не легко утримувати докупи органіку в організмі під дією ультрафіолету, від якого навіть молекула води дисоціює окремо на кисень та водень (а молекула води дуже стабільна у нормальних фізичних умовах), а високоінертний (також за нормальних умов) азот вступає у реакції окиснення.

Тож, фактично завдяки накопиченню в атмосфері кисню на планеті сформувалися умови, які ми називаємо сприятливими для розвитку живих організмів. Більш того, еволюційний процес на Землі також не стояв на місці. Завдяки доступності O₂ у живих організмів сформувався високоефективний спосіб обміну речовин та енергії – кисневе дихання. Почався бурхливий розвиток «життя» на нашій планеті, а відповідно, і масовий приріст органічної речовини. Все більше O₂,CO₂, та N₂ залучалося у біогенний кругообіг.

Активне надходження (завдяки появі значної кількості фотосинтезуючих організмів)  кисню до атмосфери врівноважилося його витратами на супутні існуванню живих організмів процеси: дихання, горіння, гниття, бродіння. Так, на сьогоднішній день рівень кисню у складі газової суміші атмосфери стабілізувався на позначці 21% від загального об’єму.

Атмосферний вуглекислий газ переважно «переживав» витратні процеси у зв’язку з розвитком живих організмів. Значна частинна CO₂ первинної атмосфери розчинилася у водах Світового океану, де живі організми «навчилися» фіксувати його у вигляді карбонатів – структурної речовини для формування скелету (наприклад, захисні раковини молюсків, екзоскелети коралових поліпів та ін.). Також чимало вуглекислого газу зв’язалося у вигляді запасних поживних та структурних речовин, які мігрують від первинних фотосинтезуючих продуцентів по різноманітним харчовим ланцюжкам до інших живих організмів. І хоча CO₂ і знаходиться у кругообізі, повертаючись до атмосфери у процесах дихання, гниття (через виділення та окиснення метану) чи горіння органіки, все таки значна його частина захоронюється у земних надрах.  Відбувається це тому, що далеко не вся «мертва органіка» встигає пройти повноцінні процеси розкладу. Накопичена у донних відкладеннях водойм чи навіть просто у товщі лісової підстилки, органічна речовина стає недоступною для бактерій, завдяки яким відбувається її розклад. Вона консервується та з часом мігрує все глибше у товщу земної поверхні, де під дією високих температур та високого тиску формує речовини, що ми звемо корисними копалинами (нафта, вугілля та ін.). Та ж частина вуглекислого газу, що зв’язується у вигляді карбонатних солей (скелети молюсків та ін.) взагалі складно піддається розкладу, тому просто з часом накопичується у земних надрах у вигляді осадових порід (доломітів, вапняків та ін.). Таким чином, живі організми «вивели» значну частину CO₂ зі складу газової суміші атмосфери та «захоронили» її у вигляді різних хімічних речовин у товщі Землі. Лише завдяки незначному поверненню до атмосфери вуглекислого газу у процесі гниття органічної речовини, у процесі дихання живих організмів,  з вулканічною діяльністю (у тій її мірі, яка спостерігається у наш час), рівень вуглекислого газу у складі атмосфери досяг балансу на рівні 0,03% від загального об’єму (до початку активної участі людини у поповненні запасів атмосферного CO₂).

Дещо інша ситуація склалася з атмосферним азотом. Азот (N₂) на сьогоднішній день являється домінуючим газом у складі газової суміші нашої атмосфери, не дивлячись на те, що він, як і вуглекислий газ, активно залучається до процесів життєдіяльності живих організмів (приймає участь у формуванні білків, нуклеїнових кислот, хлорофілу та ін.). Через свою високу інертність азот мало реагує з іншими речовинами, а процес включення його до біогенного кругообігу екосистем проходить досить складно (для вивільнення з азоту атомарного нітрогену потрібно розірвати досить стійкий хімічний зв’язок в молекулі N₂, а це є дуже енергозатратним процесом).  Тому фактично існує всього два основних шляхи перетворення вільного азоту у доступну для живих організмів форму. Перший з них – абіогенний. Суть його полягає в тому, що під дією атмосферних електричних розрядів (блискавок) та під дією ультрафіолетового випромінювання у високих шарах атмосфери, азот здатен утворювати оксиди нітрогену, які в свою чергу, розчиняючись у атмосферних водяних парах, потрапляють з опадами у ґрунт. Далі у ґрунті внаслідок процесів дисоціації вивільняються нітрат-іони – форма нітрогену, яка доступна для рослин та ряду мікроорганізмів (до інших живих організмів атомарний нітроген потрапляє вже по харчовим ланцюжкам). Другий шлях – біогенний. Так, деякі мікроорганізми все-таки здобули еволюційне пристосування до перетворення азоту у доступну для живих організмів форму. Найчастіше такі мікроорганізми співіснують у симбіозі з рослинами: мікроорганізми постачають рослинам нітрогеновмісні сполуки, а рослини забезпечують мікроорганізми необхідними вуглеводами (утвореними у процесі фотосинтезу).

Повернення азоту з біогенного кругообігу до атмосфери відбувається при розкладанні «мертвої» органічної речовини, переважно у вигляді аміаку (який далі окиснюється до N₂ та H₂O) або нітратних і нітритних солей (які далі денітрифікуються бактеріями до молекулярного N₂). Звичайно, деяка (дуже незначна) частина біогенно зв’язаного N₂ також відкладається у вигляді корисних копалин (селітри), як і у випадку з вуглекислим газом. Але загалом, процеси біогенної фіксації та вивільнення азоту виявились досить врівноваженими, через що після «виведення» з атмосфери вуглекислого газу N₂ зайняв панівне положення у атмосферній газовій суміші на рівні 78% від загального об’єму.

Решта об’єму газової суміші  атмосфери припадає переважно на аргон (0,93%) – високоінертний газ, що за нормальних умов не взаємодіє ні з іншими речовинами, ні з екосистемами. Утворюючись внаслідок радіоактивного розпаду калію, усі незначні запаси аргону знаходяться у товщі геологічних пород, тому надходження його до атмосфери пов’язано переважно з активною вулканічною діяльністю часів формування нашої планети та зародження життя.

Виходить так, що атмосфера Землі знаходиться у складній балансній взаємодії з живими організмами. При чому як хімічний склад атмосфери впливає на розвиток екосистем, так і екосистеми впливають на склад атмосфери. Достовірно важко передбачити, як в ідеалі спрямований такий взаємозв’язок: може, з часом вуглекислий газ мав би взагалі втратити свою роль у біогенному кругообізі; може, живі організми «навчилися» б використовувати енергію хімічного зв’язку в молекулі азоту з подальшими змінами кількісного складу N₂ в атмосфері. Але ми живемо тут і зараз, в час, коли природньому еволюційному процесу екосистем активно «допомагає» людина. Антропогенна діяльність змінює екосистеми, завдяки яким забезпечується сталість газової суміші атмосфери. Антропогенна діяльність змінює склад газової суміші атмосфери, до якої пристосовані існуючі сьогодні екосистеми. Так, видобуток та спалювання нафти, вугілля, газу з вивільненням вуглекислого газу фактично є відмотуванням назад еволюційних перетворень, що переживали екосистеми та атмосфера, коли цей вуглекислий газ зв’язувався та захоронювався у вигляді корисних копалин. На рівні існування життя таке повернення минулих умов існування не є критичним, бо на кожному етапі еволюційного процесу природа наче перестраховується, зберігаючи організми, що здатні вижити за різних умов (так і зараз існує чимало живих організмів, здатних, наприклад, до існування у безкисневому середовищі, за високих температур та ін.). Але на рівні живих організмів, які адаптовані до сьогоднішніх природних умов існування (в тому числі і людини), значні зміни навколишнього середовища будуть як мінімум стресовими, а як максимум – призведуть до хвороб та загибелі. Тим паче, коли до навколишнього середовища скидається ще безліч синтетичних речовин, дію яких на живий організм часто навіть важко передбачити.

Саме тому антропогенне забруднення атмосфери Землі є одною з основних екологічних проблем сьогодення. При чому, для існуючих екосистем більшість негативних наслідків цієї проблеми вже являються незворотними. І доки високі темпи технологічного розвитку та методи отримання благ для комфортного існування людини будуть відводити на другий план цінність самого існування живих організмів, таких наслідків ставатиме все більше.

Далі у продовженні теми:

• «Типові забруднювачі атмосферного повітря та їх вплив на живі організми»;
• «Глобальна міграція забруднювачів атмосферного повітря у біосфері».

Автор: Максим Кущ